專利名稱：觸覺式玩具遙控器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及由使用者與遙控裝置交互作用，而更為特殊的是用來與遙控玩具交互作用并向使用者提供觸覺反饋的裝置。
背景技術：
在多種應用中人與電子和機械裝置交互作用，一直關注更為自然、容易使用的信息接口的需求。在本發(fā)明的背景中，這種應用是對諸如玩具車之類的移動裝置進行的遙控。例如，常見的遙控玩具汽車，它是一種以其自身能量，例如使用電池或汽油為動力來進行移動的小汽車。使用者通?？梢岳靡粋€通過無線電傳播發(fā)送信號給汽車的遙控裝置來控制車的轉(zhuǎn)向、剎車和/或前進/后退的方向。一些具備受限運動的遙控玩具可以包括一條連接遙控裝置與所操縱的玩具或裝置的電線以使信號傳輸給玩具。遙控裝置可以包括控制桿，調(diào)控盤，開關，按鈕，或其它控制器來幫助使用者控制玩具。其它類型的移動玩具和裝置同樣能夠進行控制，像飛行玩具(例如，飛機，直升機，火箭)，水上玩具(例如，小船和潛艇)，卡車，機器人，玩具動物，等等。
玩具遙控裝置中缺少的一種功能是動覺作用力的反饋和/或觸覺的反饋，在此共同稱作“觸覺反饋”。觸覺反饋可以被添加于這種交互作用控制裝置上來為使用者提供更多的人機交互式體驗，并且在遙控玩具裝置的交互作用和控制中提供更大的方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種觸覺反饋遙控裝置，用來控制移動玩具裝置如汽車，小船，等等。遙控裝置提供觸覺反饋給使用者使其在控制玩具時會得到一種更激發(fā)興趣的體驗。
更為特別的是，觸覺反饋遙控裝置給諸如汽車、小船、飛機等等的玩具裝置提供控制信號，來控制玩具裝置的運轉(zhuǎn)。遙控裝置包括一個外殼和至少一個控制器來由使用者手動操作，其中代表操作的控制信號被傳送給玩具裝置來控制玩具裝置的運轉(zhuǎn)。一個激勵器響應所接收到的激勵器信號在外殼上輸出力，并且一個控制器提供激勵器信號給激勵器并且監(jiān)控代表控制器操作的控制信號。控制器可以僅僅基于使用者對控制器的手動操作、或者部分地基于這一操作確定力。在一個實施例中，激勵器使一個慣性塊產(chǎn)生移動來在外殼上提供慣性觸感，慣性觸感由使用者感覺到?？刂破靼ㄒ粋€能夠沿一條軸移動的控制桿，一個方向盤或旋鈕，或者其它控制裝置。優(yōu)選地，傳送給玩具裝置的控制信號無線地傳遞給玩具裝置。例如，控制器可以是一個調(diào)速控制器或轉(zhuǎn)向控制器。
在一些實施例中的一個另外的特征允許控制器僅僅或者部分地基于從玩具裝置所接收的信息來確定力。例如，從玩具裝置接收到的信息可以包括從玩具裝置上的一個接觸傳感器傳出的信息，它顯示玩具裝置在接觸傳感器位置是否接觸到其它物體。此信息可以顯示玩具裝置與其它物體的接觸程度。在另一實施例中，此信息可以顯示在玩具裝置的至少一個方向上的由玩具裝置所經(jīng)受的加速度大小。
在另一實施例中，遙控裝置內(nèi)的激勵器能夠響應所接收到的電子信號在由使用者操縱的控制器上輸出力。僅僅或部分地基于控制器的局部操作、或者部分或全部地基于顯示所控制玩具狀態(tài)的信息可以確定力。遙控玩具裝置的一個實施例包括如上所述的遙控裝置和操作上根據(jù)控制信號進行物理移動的玩具裝置。另一實施例是一種基于使用者對遙控裝置的操作來控制玩具裝置向使用者提供觸感的方法。
本發(fā)明提供了一種在控制玩具車或其它玩具裝置時向使用者提供觸感的觸覺反饋遙控裝置。這允許使用者去體驗從遠處控制一個玩具時在感覺反饋中的另一方面。這種感覺可以模擬玩具當前的體驗，而且也可以告知使用者玩具的狀態(tài)，因此加強使用者對玩具的控制。
本領域技術人員閱讀以下的本發(fā)明說明書和研究附圖以后可以明了本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的遙控系統(tǒng)的透視圖，包括一個遙控裝置和一個玩具裝置；圖2是圖1中的遙控裝置的側(cè)視截面圖；圖3是適用于本發(fā)明遙控裝置中的激勵器組件的一個實施例的透視圖；圖4是適用于本發(fā)明遙控裝置中的激勵器組件的另一實施例的透視圖；圖5是本發(fā)明的玩具裝置的側(cè)視圖，包括用來測定玩具加速度的一個加速計；圖6是通過馬達提供動覺作用力反饋的遙控器上的一個操縱桿的
具體實施例方式
在圖1中，示出本發(fā)明的一個遙控玩具系統(tǒng)10。遙控玩具系統(tǒng)10包括遙控器12和受控玩具14。
遙控器12由使用者操作來控制玩具14。遙控器12通常很小足以被使用者拿在一只或兩只手中并且可能包括多種控制裝置。例如，操縱桿或控制桿20能夠由使用者向上或向下移動來分別指令玩具14向前或向后移動。在一些速率控制實施例中，控制桿20從一個起始位置(例如控制桿活動范圍的中點)起所移動的距離控制受控玩具在相應方向內(nèi)的速率?？刂茥U22能夠向左或向右移動來分別指令玩具左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。在一些速率控制實施例中，控制桿22從起始位置起所移動的距離控制玩具轉(zhuǎn)彎量或緊度?？梢园ㄆ渌陌粹o，小方向盤，旋鈕，調(diào)控盤，操縱桿，跟蹤球，開關，方向柄，控制桿，或別的控制裝置來指令玩具的各種其它功能，比如去減速或使玩具停止運動，提供動力或發(fā)動玩具，開啟前燈，改換驅(qū)動模式，鳴響喇叭，等等。并且/或者來控制轉(zhuǎn)向和調(diào)速功能以代替控制桿20和22，而所有這些控制裝置都可以提供有上述的觸覺反饋。一些實施例可以在另外的裝置中提供遙控器12的功能，比如蜂窩式便攜無線電話，便攜式計算機(例如膝上型電腦或者個人數(shù)字助理)，手表，等等。
遙控器12可以包括一個無線傳輸裝置來通過空氣發(fā)送控制信號給玩具14。對于本領域技術人員來說完全了解這種傳輸裝置的執(zhí)行。通常，遙控器12包括天線23用來以需要的頻率發(fā)射射頻(RF)(或其它頻段)控制信號。在另外的實施例中，從遙控器發(fā)出的控制信號能夠沿一條物理地將遙控器12連接到玩具14的電線或其它傳輸線來傳送。有些實施例可以允許遙控器12從玩具14接收信號，就如下文所詳述的；在這些實施例中，適當?shù)碾娮咏邮掌靼ㄔ谶b控器12中。
在本發(fā)明中，遙控器12包括觸覺反饋功能。這種功能可以利用包含于或連接于遙控器12的外殼24的一個或多個激勵器來提供。觸覺遙控器的各種實施例將會在下文中進行詳細描述。
圖1中所示的玩具14是一個遙控跑車。玩具14可以包括底盤26，車輪28，和天線30。底盤26包括一個或多個馬達(未示出)來促使玩具移動，促使車輪轉(zhuǎn)動，等等。在一些實施例中，電池被存放在底盤26中來為馬達提供能量；另外的實施例可能會提供其它能源，像液體燃料(例如汽油)。天線30允許玩具26來接收由遙控器12無線傳送的指令信號。
玩具14包括電子接收器用來接收從遙控器12發(fā)出的指令，例如在適當?shù)陌l(fā)射頻率。在這些信息從玩具14傳輸給遙控器12的實施例中，玩具14包括有一個發(fā)射器，例如類似于遙控器12所用發(fā)射器的無線發(fā)射器。玩具的其它部件可以包括一個微處理器或別的控制器來執(zhí)行接收到的指令，控制馬達，讀取傳感器(對這些包括傳感器的實施例而言)，等等。
其它類型的移動玩具車和裝置可以同樣進行控制，比如飛行玩具車(例如，飛機，直升機，火箭)，水上玩具車(例如，小船和潛艇)，卡車，機器人，玩具動物，等等。
局部觸感實施例圖2是本發(fā)明的遙控器12的第一實施例的側(cè)視圖。在此實施例中，基于使用者利用遙控器12的控制裝置所采取的局部動作向使用者提供的觸覺反饋。
遙控器12的外殼24包括在遙控器12的外殼24之上輸出力的激勵器組件50。在所述的實施例中，激勵器組件50以近似的直線運動振蕩一個慣性塊。通過慣性塊的移動所提供的振動被傳遞給外殼24，在那里接觸外殼的使用者會作為觸感感覺到它們。慣性塊可以優(yōu)選地以不同的頻率和力度來振蕩以提供多種觸感，像脈沖和振動。
以下參考圖3來描述激勵器組件50的一個實施例，其中激勵器本身被作為一個慣性塊進行振蕩。在另外的實施例中，可以使用其它類型的激勵器組件。例如，一個離心塊可以連接于激勵器軸并且進行旋轉(zhuǎn)，如以下參考圖4所述的那樣。另外的實施例可以使用一種線性音圈激勵器或磁轉(zhuǎn)激勵器來分別移動線圈或磁鐵而產(chǎn)生慣性脈沖或振動。在美國專利NO.6,211,861中描述了一些慣性反饋實施例。在另外的實施例中，激勵器還可以驅(qū)動一個部件來壓緊外殼而促使從一個或多個這樣的壓緊中產(chǎn)生觸覺反饋。
本發(fā)明另外的實施例可以在外殼24的一部分產(chǎn)生觸覺反饋。例如，可以把外殼的一部分做成使其相對于外殼其余部分能夠移動。可移動部分可以連接于激勵器組件并且進行移動來提供觸覺反饋。可移動部分可以安置于使用者在通常使用過程中握持、接觸或支撐著遙控器12時所觸的外殼上的一個特定位置。在一個實施例中，可移動部分可以從外殼固定部分的外部表面移開(例如垂直地)，就像一個鉸鏈上的蓋，移向使用者的手指或手掌。在另外的實施例中，可移動部分可以側(cè)向移動，平行于外殼的外部表面并且貼近使用者接觸可移動部分的皮膚(或者可以提供側(cè)向和垂直運動)。在美國專利NO.6,184,868中描述了可移動的表面部分的一些實施例。
電池60或其它儲電元件可以包括于遙控器12中來提供能量給激勵器組件50和其它部件，像局部微處理器，發(fā)射器，裝置上的燈，等等。電池60可以是一次性電池，或者是使用者可以取下、充電和放回原處的可再充電電池。一些實施例可以在外殼24內(nèi)提供一個便利的分隔門來為使用者存取電池60提供方便?？梢蕴峁┮粋€或多個電池60于遙控器12中來得到所期望的能量值。其它類型的提供能量的儲電元件可以被用于另外的實施例中。在一些實施例中，電池60可以不需使用者從裝置外殼24中取下就能再次充電。例如，外殼24可以包括一個“對接端口”或連接于可再充電電池60的電接頭，它允許把遙控器12插入可再充電電源裝置上的一個相配的接頭，該可再充電電源裝置例如連接于標準的交流電電源出口。
電池60是一個重型部件因而可能會不利于在慣性觸覺反饋裝置中使用。電池60的重量會增加裝置的總質(zhì)量，這可能會減弱由激勵器組件50輸出和由使用者所感覺到的慣性觸感的強度。為了抵償這種影響，在電池60和外殼24之間采用了一種柔性或松軟的接合方式。例如，可以將一個軟泡沫塑料層62放置于電池60和外殼24之間；其它實施例或許會使用橡膠或別的柔軟層或彈性成分。軟層62允許電池60至少部分地獨立于外殼24移動，因而借助慣性消除電池60和外殼間的相互影響。軟層62減少了電池60對系統(tǒng)的慣性影響，并且讓使用者感受到比電池60沒有軟層62而剛性接合于外殼60情況下更強的與激勵器組件50所給予相一致的觸感。
圖3是用于遙控器12內(nèi)的激勵器組件50的一個實施例100的透視圖。激勵器組件100包括一個接地彎曲部分120和一個連接于彎曲部分120的激勵器110。彎曲部分120可以是由諸如聚丙烯塑料(“活性膠”材料)的材料或其它易曲材料做成的單一的整塊。彎曲部分120可以例如在部分121接地于遙控器12的鼠標外殼24。
所示激勵器110連接于彎曲部分120。激勵器的外殼連接于彎曲部分120的接收器部分122，如圖中所示接收器部分122容納激勵器110。激勵器的轉(zhuǎn)軸124在彎曲部分120的孔125內(nèi)連接于彎曲部分120并且剛性連接于一個中心旋轉(zhuǎn)部件130。激勵器的轉(zhuǎn)軸124圍繞軸線B旋轉(zhuǎn)同時帶動部件130圍繞軸線B旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)部件130通過一個彎曲接頭134連接于角件131的第一部分132a。彎曲接頭134優(yōu)選地做成非常薄并在一定范圍內(nèi)會彎曲，從而當旋轉(zhuǎn)部件130帶動第一部分132a近似直線地移動時彎曲接頭134會發(fā)生彎曲。第一部分132a通過一個彎曲接頭138連接于接地部分140并且第一部分132a通過彎曲接頭142連接于角件的第二部分132b。第二部分132b轉(zhuǎn)而通過彎曲接頭144在其另一端連接于彎曲部分的接收器部分122。
包括第一部分132a和第二部分132b的角件131沿著x軸線直線移動，如箭頭136所示。在實際中，132a和132b部分僅是近似直線地移動。當彎曲部分處于它的起始位置(靜止位置)時，部分132a和132b相對于它們的縱向軸線優(yōu)選地成如圖中所示的角狀。這就允許旋轉(zhuǎn)部件130沿箭頭136所示的任一方向牽拉或拖動角件131。
當沿兩個方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)件130時激勵器110僅運轉(zhuǎn)于其一小部分轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，允許高帶寬運轉(zhuǎn)和高頻脈沖或振動被輸出。為了引導彎曲部分的收縮或拉伸進入所期望的z軸線運動，在彎曲部分內(nèi)介于接收器部分122和接地部分140之間提供了一個彎曲接頭152。彎曲接頭152允許接收器部分122(和激勵器110，旋轉(zhuǎn)件130，以及第二部分132b)在z軸線內(nèi)(近似地)直線移動以響應部分132a和132b的運動。在角件131的第一部分132a中提供了一個彎曲接頭150來使沿z方向圍繞彎曲接頭152的彎曲更加容易發(fā)生。
通過很快地轉(zhuǎn)換激勵器軸124的旋轉(zhuǎn)方向，可以使激勵器/接收器變成沿z軸線進行振蕩而在鼠標外殼上引起振動，同激勵器110一起充當一個慣性塊。優(yōu)選地，在激勵器的上方和下方提供有足夠的空間以使它的運動范圍不會壓緊鼠標外殼24的任何表面或部分。另外，包括于彎曲部分120內(nèi)的彎曲接頭，像彎曲接頭152，充當彈力構件來提供一個朝向激勵器110和接收器部分132的起始位置(靜止位置)的回復力。在一些實施例中，在彎曲部分120內(nèi)包括有止動裝置以限制接收器部分122和激勵器110沿z軸線的運動。
圖4是用于遙控器12內(nèi)來提供觸感給使用者的激勵器組件50的另一實施例170的透視圖。激勵器組件170包括一個激勵器176，例如直流電動機，它包括圍繞軸線C進行旋轉(zhuǎn)的軸172，和剛性連接于軸172并且同軸一起圍繞軸線C旋轉(zhuǎn)的離心塊174。在一個實施例中，激勵器176的外殼連接于遙控器12的外殼，例如激勵器可以附于遙控器外殼的內(nèi)部。在另外的實施例中，激勵器可以連接于一個可移動的操縱器，像操縱桿或鼠標，或者其它部件。
許多不同類型和形狀的離心塊174可以被使用。如圖所示，可以使用一種楔形或餅狀的離心塊，其中離心塊的一端連接于軸172從而楔塊的大部分伸入到軸的一側(cè)。可選擇地，一個圓柱形或其它形狀的塊可以連接于軸172。塊174的中心位于偏離軸172的旋轉(zhuǎn)軸線C的位置，產(chǎn)生了由軸172的旋轉(zhuǎn)軸線和塊174的塊中心之間的距離所確定的一個離心參數(shù)。在不同的裝置實施例中可以對這個離心率進行調(diào)節(jié)來提供如所期望的更強或更弱的振動。如果經(jīng)常沿一個方向驅(qū)動馬達，一般就可通過改變離心率來得到更大的振動強度。
當離心塊174通過馬達170產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時，由于塊運動的不平衡會在馬達和連接于馬達的任一部件中引起振動。因為馬達的外殼176優(yōu)選地連接于遙控器12的外殼，振動被傳遞給握著外殼的使用者。在控制器14中可以包括一個或多個馬達176來提供振動觸覺或其它觸覺反饋；例如，可以使用兩個馬達來提供更大強度的振動和/或沿兩個不同方向的振動。其它類型的激勵器組件也可能被應用，像美國專利NO.6,184,868中所公布的，例如線性音圈激勵器，電磁鐵，磁轉(zhuǎn)激勵器，等等。
觸感在局部觸感實施例中可以輸出不同類型的觸感給使用者。因為僅基于使用者在遙控器12上的局部動作來確定觸感，這種感覺可以基于由使用者所操縱的特定動作或控制。
馬達振動可以對激勵器組件50進行控制以輸出被設計來模擬機車馬達的振動的觸感。這種觸感可以具有與調(diào)速控制器(像圖1中控制玩具14速度的控制桿20)的設置相關的強度和/或頻率。例如，當玩具前進的速度增大，所給予的振感的強度和頻率就會增大。在玩具處于高速時，一個高強度和高頻率的振動會提供給使用者，而在處于低速時，就會提供一個減弱的“空轉(zhuǎn)”感覺。當使用者移動控制桿20來指令玩具反過來移動時，就會輸出一個與反方向相關的獨特的觸感，例如，一個低頻振動。
轉(zhuǎn)彎觸感可以被控制來使其與操縱控制器的使用者相互聯(lián)系以轉(zhuǎn)動玩具14。例如，可以利用左-右控制桿22來使玩具向左或向右轉(zhuǎn)彎。在一些實施例中，控制桿從起始位置所移動的量控制著轉(zhuǎn)彎的緊度；當控制桿充分地向左或向右時，玩具就會在其最小的轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)進行轉(zhuǎn)彎。振動可以被輸出于遙控器12之上來顯示轉(zhuǎn)彎的緊度。例如，一個寬的轉(zhuǎn)彎可以與一個低頻振動相互關聯(lián)，而一個緊的轉(zhuǎn)彎可以與一個高頻振動相互關聯(lián)。在一些實施例中，速度和轉(zhuǎn)彎控制兩者都可以被用于觸感的確定中。例如，一個快的，緊的轉(zhuǎn)彎可以產(chǎn)生時有時無的脈沖就如同觸感，模擬玩具的輪胎失去抓地的感覺。
其它感覺遙控器12上的其它控制器可以與觸感相互關聯(lián)。如果有一個指令玩具施行制動或使它的運動慢下來的減速控制器，就可以在減速過程中輸出一個振動。受控于遙控器12的玩具的喇叭、閃光燈，或其它功能也可以與不同的觸感相互關聯(lián)。
在遙控器的控制器上也可以輸出動覺作用力反饋，施加力于操縱器的一個或多個自由感覺度內(nèi)。例如，馬達或其它激勵器可以在控制桿20和22的自由度內(nèi)、按鈕或開關的運動自由度內(nèi)、小方向盤或旋鈕的旋轉(zhuǎn)自由度內(nèi)等等輸出力。提供這種觸覺反饋的一些實施例將在下文中參考圖6進行描述。
在一個動覺作用力反饋實施例中，基于時間的觸感可以在控制器的自由度內(nèi)輸出，類似于上文中描述的觸感。例如，當使用者拿著控制桿20或22用其所期望的方式操縱玩具14時一個振動或晃動就會立即輸入到控制桿上?；蝿踊蛘駝拥膹姸群?或頻率可以基于控制器在其自由度內(nèi)的位置，并且/或者可以模擬馬達發(fā)出隆隆聲，旋轉(zhuǎn)半徑，等等。
另外，在動覺作用力反饋實施例中可以輸出更為復雜的觸感。例如，通過激勵器所產(chǎn)生的彈力感可以提供一種回復力給控制桿使其回到起始位置。為了玩具14的一個快速轉(zhuǎn)彎可以輸出一個緊的或高強度的彈力，而為了一個慢速轉(zhuǎn)彎可以輸出一個松的、低強度的彈力來模擬處于這些速度之下的驅(qū)動狀態(tài)。在控制桿(或其它控制器)中的定位裝置運動可以被輸出來為使用者標記特定位置，例如在控制桿移動范圍的每四分之一處提供一個定位裝置來讓使用者觸覺地了解到他或她控制汽車移動得有多快或者所控制的一個轉(zhuǎn)彎有多緊。定位裝置可以通過像晃動，彈力，或其它動力形式來加以執(zhí)行。一種阻尼力可以抵制基于控制桿運動速率的控制桿的運動。一種障礙或阻撓力可以阻止或抵制控制器的運動超出一個所期望的限制。
基于來自受控玩具的信息的觸覺反饋以下描述本發(fā)明的更為復雜的實施例。在這些實施例中，玩具14可以傳送信號給遙控器12來告知遙控器玩具的一種或多種狀態(tài)或情形。觸感的輸出，以及這些觸感的特征(例如，感覺類型，強度，頻率，持續(xù)時間，等等)，可以單獨地或部分地基于這些信號。
在一個實施例中，一個或多個傳感器被安置于玩具14上。例如，參考圖1，可以把傳感器32置于玩具14的緩沖器33上。當在傳感器32的感覺范圍內(nèi)汽車與一個障礙物發(fā)生沖突或碰撞時，傳感器32就會探測到這一碰撞并且立即傳遞發(fā)生碰撞的狀態(tài)信號給遙控器12。在一些實施例中，傳感器32可以是一個開/關式傳感器，僅檢測是否發(fā)生了碰撞。在另外的實施例中，更為復雜的傳感器可以被使用，像模擬傳感器，它被用來檢測碰撞的強度。
傳感器32可以是多種不同類型傳感器中的任何一種。例如，可以使用帶有發(fā)射器和探測器的光學傳感器，磁性傳感器，機械接觸傳感器，測量接觸元件運動的模擬電位計，或者用來檢測接觸的其它類型的傳感器。可選地，或者另外地，可以在玩具的其它區(qū)域安置一個或多個傳感器來檢測在這些區(qū)域所產(chǎn)生的接觸，比如在玩具后面的緩沖器或背面的其它部分、側(cè)面、下側(cè)，等等。
從玩具14傳送給遙控器12的信號與從遙控器傳輸給玩具的信號可以具有相同的發(fā)射載波頻率，或者可以有不同的頻率。當從玩具接收信號后，遙控器12可以指令合乎信號的一個觸感。
可以提供多種觸感。如果通過傳感器32檢測出碰撞，控制器(參看圖7)可以向遙控器的外殼指令一個晃動、脈沖，或振動。使用者由此會感受到與玩具所體驗相關的觸覺反饋。這不僅對于使用者來說更加有趣，而且在多種情況下都是有用的。例如，如果玩具移動離開使用者的視線而撞到了墻，使用者就會被觸覺地告知并且會知道必須去控制玩具反過來逐漸后退離開墻。如果在玩具的不同位置使用多樣的傳感器，那么玩具前面的碰撞和后面的碰撞相比會與一個不同的觸感聯(lián)系在一起，左側(cè)的碰撞和右側(cè)的碰撞相比會與一個不同的觸感聯(lián)系在一起，等等。例如，前面的碰撞可以與一個具有高頻率和/或強度的晃動或振動相互關聯(lián)，而后面的碰撞可以與一個具有低頻率和/或強度的晃動或振動相互關聯(lián)。如果遙控器12包括多樣的激勵器組件50，那么就可以把這些組合安置到遙控器外殼內(nèi)來使其與玩具上的位置聯(lián)系起來。例如，一個組合可以安置在遙控器的左側(cè)之上，而另一個組合可以安置在右側(cè)之上。當玩具在其右側(cè)撞到某物時，就可以控制右邊的激勵器組件來輸出一個晃動或振動，從而使用者在遙控器的右側(cè)之上感受到觸感。
另外，觸感的強度可以與從遙控器12上的調(diào)速控制器所表現(xiàn)出來的玩具的速度相互關聯(lián)。例如，如果控制桿20被向前推到它的最大限度，那么就表現(xiàn)為玩具移動得非?？觳⑶耶敯l(fā)生碰撞時，會是很強的一種。因此，高強度的晃動或振動被輸出。在另一方面，如果只是稍微離開它的起始位置來安置控制桿20，當通過傳感器32感覺到碰撞時，就會表現(xiàn)為一個較慢的玩具速度而一個低強度感覺可以被輸出到遙控器12之上。
在實施例中提供有模擬傳感器，動力傳感器，或者可變狀態(tài)傳感器作為傳感器32，不同的觸感可以更加切實地與如傳感器所感覺到的碰撞或接觸的不同程度聯(lián)系在一起。例如，傳感器32可以立即感覺到碰撞是否是較強的一種，而有關的觸感強度會相應地得到調(diào)節(jié)。因此，一個中度碰撞可以與具有在有效輸出范圍中間的強度的一個觸感相互關聯(lián)。由于玩具的速度沒有被表現(xiàn)出來，而測量出了實際碰撞強度，這就可以提供更為現(xiàn)實的在碰撞強度和觸感強度之間的相互聯(lián)系。
觸感也可以基于像通過傳感器32傳遞的玩具狀態(tài)、以及使用者對遙控器12上的操縱器或控制器的操作的結合。例如，在遙控器12上的方向盤或旋鈕的自由度內(nèi)輸出的中心彈力可以基于方向盤或旋鈕的當前位置，并且可以與基于玩具和其它物體所感覺到的碰撞而輸出的震蕩力相結合。
圖5是類似于圖1中的玩具14、但經(jīng)過改進來給遙控器12提供信號的玩具車200的側(cè)視圖。玩具200包括一個可以感覺受控玩具加速度的慣性傳感器202(例如，一個加速計)。
這種慣性傳感器可以采用多種不同的實施例。例如，慣性傳感器202可以是一種僅在一條軸線內(nèi)測量加速度的低成本單軸加速計。這種傳感器只能被設置來感覺如所期望的前后、上下或兩側(cè)的加速度?？蛇x地，這種加速計可以安置于玩具200的一個角，如圖5所示，因而它能夠感覺到垂直方向(上-下)和前-后兩方面的加速度。例如，將加速計放置于45度角使其在這兩個方面/軸線內(nèi)都進行感覺(在那里諸如局部微處理器的一個控制器可以譯解從加速計發(fā)出的信號來確定在哪一方面內(nèi)產(chǎn)生了加速度)。傳感器可以安置于其它角來測量在其它方面內(nèi)的加速度。在高成本實施例中，可以使用多軸加速計來為每個所感覺方面提供單獨的信號。
利用加速計允許使用者來感覺可以與玩具所體驗的多種交互作用相互聯(lián)系的觸感。例如，加速計可以感覺并傳送狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)給遙控器來代表玩具上的加速度顯示玩具在粗糙地形上跳動或下樓梯，在跳下坡道后著地，或者擦邊撞擊其它玩具或物體。各種模擬或顯示所有這些玩具狀態(tài)的觸感可以輸出于遙控器12上。
如上所述，加速計也可以被用來與置于遙控器12上不同位置的多樣激勵器組件50相連接。例如，所感覺到的汽車在前后軸線內(nèi)的加速度可以促使置于遙控器12前后的激勵器組件去輸出與所感加速度相關的觸感。左/右激勵器組件可以同樣地提供左/右的不同觸感給使用者。
圖6是遙控器12的動覺作用力反饋設備的實施例的透視圖。所示上/下控制桿230通過軸234連接于旋轉(zhuǎn)激勵器232，例如，它可以是一個直流電動機，或其它類型的激勵器。激勵器232能夠在控制桿20的旋轉(zhuǎn)自由度內(nèi)輸出力并同時受控于從一個諸如微處理器的局部控制器傳出的激勵器信號。另外，可以將一個傳感器連接到相同的軸234上來確定控制桿20在其自由度內(nèi)的位置。同樣可以將一個激勵器連接于控制桿22來在其左/右自由度內(nèi)操縱控制桿。
另外的實施例可以使用不同類型的激勵器，比如音圈激勵器，磁轉(zhuǎn)激勵器，帶電刷或不帶電刷電機，等等。而且，一些實施例可以提供被動激勵器來輸出阻力于控制桿上，但是不能輸出主動力于控制桿上；這種激勵器包括磁粉閘，流體閘，或其它閘類裝置。
在遙控器230上的其它控制器同樣可以被提供以動覺作用力反饋。例如，可以將按鈕連接到激勵器上來在按鈕的自由度內(nèi)輸出力，像美國專利NO.6,184,868中所公布的。旋鈕，調(diào)控盤，線性滑塊或開關，方向盤，跟蹤球，方向柄，操縱桿以及其它也可以開動的控制器。
在遙控器的控制裝置上的動覺作用力反饋能夠給所體驗到的觸感提供更大的真實性。例如，可以在控制桿20和22上輸出彈力來提供一種復原功能而不必使用機械彈簧。除此之外，當玩具快速移動時，可以對彈力強度加以控制使它更高來模擬在汽車方向盤上所增加的道路阻力。另外，如果一個諸如加速計的局部傳感器檢測出汽車處于空轉(zhuǎn)，彈力強度就可以變成零度來模擬當汽車與地面失去接觸時微操縱的感覺。當汽車經(jīng)歷一段崎嶇不平或粗糙的地形時，汽車上的加速計可以提供數(shù)據(jù)反饋給遙控器來產(chǎn)生振動或其它力于控制桿上以模擬這種崎嶇不平并可能對使用者在操縱玩具中造成一些困難。
圖7是示出本發(fā)明的觸覺反饋遙控裝置12和玩具裝置14的框圖。遙控器12和玩具14可以是在此所述的實施例中的任何一種。
如上所說，玩具裝置14可以包括電子元件來接收信號并控制玩具的運動。在一些實施例中，玩具裝置14可能包括一個處理器300，像微處理器或其它控制器(硬件狀態(tài)機，數(shù)字邏輯電路，特定用途集成電路，等等)，它能夠從傳感器32(如果在玩具上包括有傳感器)接收傳感器信號并且能夠輸出信號來控制任何一種輸出裝置302，比如轉(zhuǎn)動前輪來進行轉(zhuǎn)向的馬達，車輪馬達或其它提供玩具運動力的馬達，任何音頻輸出裝置例如喇叭，或任何視頻輸出裝置例如燈。在另外的實施例中，除處理器300之外還可以提供用來提供信號給輸出裝置302并從傳感器32接收信號的電路；例如，能夠從遙控器接收信號來驅(qū)動玩具14上相應的馬達的模擬控制系統(tǒng)。也可以使用一個特定用途集成電路，狀態(tài)機，或其它邏輯電路。也可以包括處理器300所必需的任何其它部件，比如存儲器，輸入/輸出電路，等等。
如上所說，玩具裝置14的處理器300具有一個同遙控裝置12的通信線路306。這個線路可以利用射頻或其它頻率的信號進行無線傳輸，或者經(jīng)由一條電線或其它物理連接進行傳輸。在一些實施例中，此線路處于遙控器12到玩具14的單向路徑內(nèi)。在其它實施例中，此線路是雙向的。
觸覺反饋遙控裝置12可以包括一個處理遙控器的輸入、輸出和控制功能的局部處理器310。局部處理器310可以配備有軟件(固件)程序來監(jiān)控遙控裝置12的控制器，等待信息從玩具裝置14中傳出，然后提供信號給遙控裝置的激勵器來控制觸感。處理器330可以包括一個微處理器芯片，或多元處理器和/或聯(lián)合處理器芯片。在其它實施例中，微處理器330可以包括數(shù)字信號處理(DSP)功能，或通過像控制邏輯元件，和特定用途集成電路，或者硬件狀態(tài)機來執(zhí)行以代替目前的微處理器芯片。
可以把一個局部時鐘312連接于處理器330來提供可能需要的定時數(shù)據(jù)，例如，來計算由遙控器12的激勵器所輸出的力。局部存儲器314，像隨機存儲器和/或只讀存儲器，可以被連接于處理器310來存儲來自處理器310的指令并存儲暫態(tài)值和其它數(shù)據(jù)。
傳感器接口316可選地包括在裝置12中來使傳感器信號轉(zhuǎn)換為能夠被處理器310譯解的信號。例如，傳感器接口316可以接收并且轉(zhuǎn)換從一個數(shù)字傳感器像編碼器或利用模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的模擬傳感器發(fā)出的信號。對于本領域技術人員來說是非常了解這種線路或者等效線路的。可選地，處理器310可以執(zhí)行這些接口功能。
傳感器318可以檢測遙控裝置12的各個控制器的位置，運動，和/或其它特征；例如，傳感器318可以檢測控制桿20和22以及所有其它的按鈕、開關、操縱桿、跟蹤球等等的運動或者位置。傳感器318向處理器310提供包括代表某個運動或者位置的信號。適合于在此所述實施例的傳感器的范例是模擬電位計、霍耳效應傳感器、數(shù)字光電旋轉(zhuǎn)編碼器、線性光電編碼器、光學傳感器如側(cè)向光電效應二極管、速度傳感器(例如，轉(zhuǎn)速計)和/或加速度傳感器(例如，加速計)。此外，還可以使用相對或絕對傳感器。
激勵器接口320可選地連接于遙控器12的激勵器和處理器310之間來使從微處理器310接收到的信號轉(zhuǎn)換為適于驅(qū)動激勵器的信號。接口320可以包括功率放大器、開關轉(zhuǎn)換器、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以及其它本領域技術人員所熟知的部件。
如上所述，激勵器322沿一個或多個方向按照一個或多個自由度傳輸力給遙控器12的外殼和/或遙控器12上的各個控制器324以響應由處理器3 10輸出的信號，也就是說，它們是“計算機控制的”。激勵器322可以包括上面所說的激勵器組件50或者旋轉(zhuǎn)式激勵器234。激勵器可能是多種的裝置，比如線性電流控制馬達，分級馬達，氣動/液壓主動激勵器，轉(zhuǎn)矩發(fā)生器(具有有限角范圍的馬達)，磁粉制動器，摩擦制動器，或氣動/液壓被動激勵器。
電源326可以連接于激勵器接口320和/或激勵器322來提供電力給激勵器和遙控器12的其它部件。如上所述，電源326優(yōu)選地是電池或其它便攜式電源。
其他輸入裝置328可以包括在裝置12中并且傳送輸入信號給微處理器310。這種輸入裝置可以包括其它按鈕、調(diào)控盤、旋鈕、開關、聲音識別硬件，或如上所述的其它輸入機構。一個安全開關或“失知制動”開關可以包括在一些實施例中來提供一個機構以允許使用者進行自動控制并且使激勵器322輸出的力無效。
現(xiàn)在對系統(tǒng)的操作加以概括描述。在比較簡單、低成本的實施例中，傳感器318可以檢測像由使用者所操縱的控制桿20和22之類的控制裝置的運動并且傳送適當?shù)男盘柦o處理器310。然后處理器310傳送適當?shù)目刂菩盘柦o玩具裝置14來依照使用者對控制裝置進行的操縱而控制它。處理器310也傳送激勵器信號給激勵器組件50來輸出與所操縱的控制器和操縱控制器的方式相一致的觸感。在更為復雜的實施例中，玩具裝置14可以傳送信號給遙控器12。在這些實施例中，局部處理器310接收來自局部傳感器318的信號以及來自玩具裝置14上的傳感器32的信息。然后局部處理器決定輸出觸感并控制激勵器322，從而又依照當前使用者對遙控器12的操縱傳送信號給玩具裝置。
盡管以幾個優(yōu)選實施例的方式對本發(fā)明作了描述，但是對于本領域技術人員來說顯然在閱讀說明書和研究附圖之后可以做出修改、變化，及其等同體。另外，為了敘述得更加清楚而使用了某些術語，但并不限制本發(fā)明。因此所有這些修改、變化及其等同體都包含于本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用來向玩具裝置提供控制信號以控制所述玩具裝置的運轉(zhuǎn)的觸覺反饋遙控裝置，該裝置包括外殼；用來由所述使用者手動操作的至少一個控制器，其中代表所述操作的所述控制信號被傳送給所述玩具裝置來控制所述玩具裝置的所述運轉(zhuǎn)；一個激勵器，連接于所述外殼，所述激勵器響應所接收的激勵器信號在所述外殼或所述至少一個控制器上輸出力，其中所述激勵器移動一個慣性塊來在所述外殼上提供慣性觸感，所述慣性觸感由所述使用者感覺到；以及一個控制器，電連接于所述激勵器，所述控制器向所述激勵器提供所述激勵器信號并且監(jiān)測代表所述至少一個控制器的所述操作的所述控制信號，其中所述控制器至少部分地基于所述使用者對所述至少一個控制器的所述手動操作來確定所述激勵器信號。
2.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器僅基于所述使用者對所述至少一個控制器的所述手動操作確定所述激勵器信號。
3.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，傳送給所述玩具裝置的所述控制信號無線傳輸給所述玩具裝置。
4.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器還基于從所述玩具裝置接收到的信息確定所述激勵器信號。
5.權利要求4中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述信息包括來自所述玩具裝置上的一個接觸傳感器的信息，所述信息顯示所述玩具裝置是否與其它物體在所述接觸傳感器位置處發(fā)生了接觸。
6.權利要求5中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述信息顯示所述玩具裝置與所述其它物體的接觸程度。
7.權利要求4中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述信息顯示在所述玩具裝置至少一個方向上由所述玩具裝置所經(jīng)受到的加速度大小。
8.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，由所述使用者操縱的所述至少一個控制器包括一個確定所述玩具裝置行進速度的調(diào)速控制器，其中所述力的大小與所述調(diào)速控制器的設置相關。
9.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，由所述使用者操縱的所述至少一個控制器包括一個確定所述玩具裝置行進方向的轉(zhuǎn)彎控制器，其中所述力的大小或頻率與所述轉(zhuǎn)彎控制器的設置相關。
10.權利要求1中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述玩具裝置是一個可以移動的玩具車。
11.一種用來向玩具裝置提供控制信號以控制所述玩具裝置的運轉(zhuǎn)的觸覺反饋遙控裝置，該裝置包括外殼；用來由所述使用者手動操作的至少一個控制器，其中代表所述操作的所述控制信號被傳送給所述玩具裝置來控制所述玩具裝置的所述運轉(zhuǎn)，其中所述至少一個控制器包括一個確定所述玩具裝置行進速度的調(diào)速控制器；一個激勵器，連接于所述外殼，所述激勵器響應所接收的激勵器信號在所述外殼或所述至少一個控制器上輸出力；以及一個控制器，電連接于所述激勵器，所述控制器向所述激勵器提供所述激勵器信號并且監(jiān)測代表所述至少一個控制器的所述操作的所述控制信號，其中所述控制器至少部分地基于所述使用者對所述至少一個控制器的所述手動操作確定所述激勵器信號，而且其中所述力的大小與所述調(diào)速控制器的設置相關。
12.權利要求11中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器僅基于所述使用者對所述至少一個控制器的所述手動操作確定所述激勵器信號。
13.權利要求11中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器還基于從所述玩具裝置接收到的信息確定所述激勵器信號。
14.權利要求13中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述信息包括來自所述玩具裝置上的一個接觸傳感器的信息，所述信息顯示所述玩具裝置是否與其它物體在所述接觸傳感器位置處發(fā)生了接觸。
15.一種用來向玩具裝置提供控制信號以控制所述玩具裝置的運轉(zhuǎn)的觸覺反饋遙控裝置，該裝置包括外殼；用來由所述使用者手動操作的至少一個控制器，其中代表所述操作的所述控制信號傳送給所述玩具裝置以控制所述玩具裝置的所述運轉(zhuǎn)；一個激勵器，連接于所述至少一個控制器上，所述激勵器響應所接收的激勵器信號在所述外殼或所述至少一個控制器上輸出力；以及一個控制器，電連接于所述激勵器，所述控制器向所述激勵器提供所述激勵器信號并且監(jiān)測代表所述至少一個控制器的所述操作的所述控制信號，其中所述控制器至少部分地基于從所述玩具裝置接收到的信息確定所述激勵器信號。
16.權利要求15中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器至少部分地基于所述使用者對所述至少一個控制器的所述手動操作確定所述力。
17.權利要求15中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述激勵器通過移動一個慣性塊來在所述外殼上輸出慣性力。
18.權利要求15中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述至少一個控制器包括一個可以在一個自由度內(nèi)移動的控制桿，其中所述激勵器在所述自由度內(nèi)輸出力。
19.權利要求15中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制器還基于從所述玩具裝置接收到的信息確定所述力。
20.權利要求19中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述信息包括來自所述玩具裝置上的一個接觸傳感器的信息，所述信息顯示所述玩具裝置是否與其它物體在所述接觸傳感器位置處發(fā)生了接觸。
21.權利要求19中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述信息顯示在所述玩具裝置至少一個方向上由所述玩具裝置經(jīng)受的加速度大小。
22.權利要求15中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述玩具裝置是一個可以移動的玩具車。
23.一種用來向玩具裝置提供控制信號以控制所述玩具裝置的運轉(zhuǎn)的觸覺反饋遙控裝置，該裝置包括外殼裝置；用來由所述使用者手動操作的至少一個控制裝置，其中代表所述操作的所述控制信號被傳送給所述玩具裝置來控制所述玩具裝置的所述運轉(zhuǎn)；激勵裝置，用于響應所接收的激勵器信號在所述外殼裝置或所述至少一個控制裝置上輸出力；以及控制裝置，用來向所述激勵器提供所述激勵器信號并且監(jiān)測代表所述至少一個控制器的所述操作的所述控制信號，其中所述控制器至少部分地基于所述至少一個控制裝置的所述手動操作確定所述激勵器信號。
24.權利要求23中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制裝置還基于從所述玩具裝置接收到的信息確定所述激勵器信號。
25.權利要求23中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，所述控制裝置僅基于所述至少一個控制裝置的所述手動操作確定所述激勵器信號。
26.權利要求23中所述的觸覺反饋遙控裝置，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述信息包括來自所述玩具裝置上的一個接觸傳感裝置的信息，所述信息顯示所述玩具裝置是否與其它物體在所述接觸傳感裝置位置處發(fā)生了接觸。
27.一種向使用者提供觸感的遙控玩具裝置，該玩具裝置包括提供控制信號的遙控裝置，所述遙控裝置包括外殼，由所述使用者手動操作的控制器，連接于所述外殼的激勵器，所述激勵器響應所接收到的激勵器信號在所述外殼或所述控制器上輸出力，和控制器，操作上向所述激勵器提供所述激勵器信號并且監(jiān)控代表所述至少一個控制器的所述操作的所述控制信號；以及玩具裝置，操作上根據(jù)從所述遙控裝置接收到的所述控制信號進行物理移動。
28.權利要求27中所述的遙控玩具裝置，其特征在于，所述控制器至少部分地基于所述控制器的所述手動操作確定所述激勵器信號。
29.權利要求27中所述的遙控玩具裝置，其特征在于，所述玩具裝置還包括一個傳感器用來測定所述玩具裝置的交互作用，其中代表所述交互作用的信息被傳送給所述遙控裝置。
30.權利要求29中所述的遙控玩具裝置，其特征在于，所述傳感器檢測所述玩具裝置與其它物體產(chǎn)生的接觸，其中所述信息將所述接觸通告給所述遙控裝置。
31.權利要求30中所述的遙控玩具裝置，其特征在于，所述傳感器檢測所述玩具裝置與其它物體的接觸程度，所述信息將所述接觸程度通告給所述遙控裝置。
32.權利要求29中所述的遙控玩具裝置，其特征在于，所述傳感器是一個檢測所述玩具裝置的加速度的加速計，其中所述信息將所述加速度通告給所述遙控裝置。
33.一種基于使用者對遙控裝置的操作來控制玩具裝置并且向使用者提供觸感的方法，該方法包括基于所述使用者對所述遙控裝置上的至少一個控制器的手動操作向所述玩具裝置提供控制信號，其中所述控制信號控制所述玩具裝置的運轉(zhuǎn)；從所述玩具裝置接收狀態(tài)信號，所述狀態(tài)信號顯示所述玩具裝置的當前狀態(tài)；以及產(chǎn)生觸感來輸出在所述遙控裝置上，所述觸感基于所述至少一個控制器的至少一個所述手動操作和從所述玩具裝置接收到的所述狀態(tài)信號。
34.權利要求33中所述的方法，其特征在于，所述激勵器移動一個慣性塊來在所述遙控裝置的外殼上提供慣性觸感。
35.權利要求33中所述的方法，其特征在于，所述至少一個控制器包括能夠沿一條軸線進行移動的控制桿。
36.權利要求33中所述的方法，其特征在于，傳送給所述玩具裝置的所述控制信號和從所述玩具裝置接收到的所述狀態(tài)信號無線傳輸。
37.權利要求33中所述的方法，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述狀態(tài)信號包括來自所述玩具裝置上的接觸傳感器的信息，所述信息顯示所述玩具裝置是否與其它物體在所述接觸傳感器位置處產(chǎn)生了接觸。
38.權利要求33中所述的方法，其特征在于，從所述玩具裝置接收到的所述狀態(tài)信號包括顯示所述玩具裝置在所述玩具裝置的至少一個方向上所經(jīng)受的加速度大小的信息。
全文摘要
一種觸覺反饋遙控裝置，向玩具裝置提供控制信號。遙控裝置包括一個外殼(24)，一層軟泡沫塑料(62)，一個充電電池(60)，和一個激勵器組件(50)。軟泡沫塑料層(62)減少電池(60)對系統(tǒng)的慣性影響并且允許使用者來感覺同激勵器組件(50)相一致的更強的觸感。
文檔編號A63H19/02GK1527735SQ02807519
公開日2004年9月8日 申請日期2002年4月1日 優(yōu)先權日2001年3月30日
發(fā)明者路易斯·B·羅森貝格, 路易斯 B 羅森貝格 申請人:伊梅森公司